Ing. Nadžda Pavelková, ABB s.r.o, Zbiroh 22.9.2011 Praktické zkušenosti s nasazením regulovaných pohon v teplárnách z hlediska úspor April 27, 2009 Slide 1
Nabídka ABB s.r.o. Divize a portfolio produkt a služeb Výrobky pro energetiku Systémy pro energetiku Automatizace výroby a pohony Výrobky nízkého naptí Transformátory, zaízení pro rozvodny VN a VVN, vypínae, rozváde, svodie peptí, rozváde VN, pístrojové transformátory proudu a naptí VN, senzory Rozvodny, FACTS, HVDC, HVDC Light, elektrárny & automatizace sítí, rozváde ochran a ídicích systém pro rozvodny VVN a VN, kabelové systémy VVN Pohony, motory, frekvenní mnie, výkonová elektronika, opravy elektromotor, roboty, kompletní robotizovanáešení, poradenství a servis, výroba standardizovaných svaovacích bunk, oprava použitých prmyslových robot Pístroje a rozváde nízkého naptí, domovní elektroinstalaní materiál, vypínae a odpojovae, inteligentní systémy elektroinstalace Procesní automatizace ídicí systémy a komplexní dodávky automatizaních ešení, analytika a instrumentace, inženýring a servis pohon, Operaní centrum eská republika September 23, 2011 Slide 2
Automatizace výroby a pohony DM AP-D September 23, 2011 Slide 3
Automatizace výroby a pohony DM AP-D Technická podpora dimenzování pohon návšt vy u zákazník, odpov di na technické dotazy Marketing 1600 1400 Torque [Nm] 1200 1000 800 600 400 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Speed [rpm ] max load cont load September 23, 2011 Slide 4 cont loadability max load neg max loadability max loadability neg 2000
Ambasador pro úspory elektrické energie Školení September 23, 2011 Slide 5
Úhel pohledu: Ventilátory & úsporné žárovky! September 23, 2011 Slide 6
Efektivní využívání energie v prmyslu je dležité Více než 40% energie vyrobené na zemi je spotebováváno v prmyslu. 65% elektrické energie v prmyslu je spotebována elektrickými motory. Elektrický motor pracující v nepetržitém provozu spotebuje el. energii rovnající se nákladm na jeho poízení již bhem prvních 8-12 týdn nezávisle na jeho výkonu. Úet za elektinu se pohybuje mezi 12.2% a 20% celkových provozních náklad a stále se zvyšuje se stoupající cenou el. energie. * RWE Npower survey published in Utility Weekly16th March 2007 September 23, 2011 Slide 7
Spoteba energie - elektrický motor Energie 97% Jedno pevinutí 1% Poizovací náklady 2% BU LV Motors September March 201023, Slide 20118 Slide 8
Instalovaná báze motor Typický píklad výrobního závodu Výkon kw 0.75-4 >4.0-15 >15-37 >37-75 Instalovaná báze % 58.8 26.4 9.1 2.9 Spotebovaná energie % 4.8 10.4 12.7 12.7 >75-160 14.8% 84.4% 1.8 14.5 >160-355 >355-700 >700 0.7 0.2 0.1 15.8 13.4 15.7 Source: United States Industrial Motor Systems Market Opportunities Assessment, December 1998 September 23, 2011 Slide 9
Nové úinnostní tídy dle IEC/EN 60034-30 Premium úinnost IE3 Premium Vyšší úinnost IE2 Srovnatelná s EFF1 Standardní úinnost IE1 Srovnatelná s EFF2 Také IE4 (Super Premium Efficiency), bude nad IE3 hodnoty budou definované. výkony: 0.75kW 370kW (t.j. ~98% trhu) September 23, 2011 Slide 10
IE class defined in the IEC/EN 60034-30 standard IE efficiency classes for 50 Hz 4-pole motors September 23, 2011 Slide 11
Další vývoj dle EU MEPS, do 1000 V, 2-6 pólové Note! IE classes required by the regulation correspond to IE class defined in IEC/EN 60034-30 standard Fáze 1: Od 16.ervna, 2011 Fáze 2: Od 1. ledna, 2015 Motory musí mít min IE2 (ne IE1) Motory o výkonu 7.5 375 kw musí mít bu IE3 nebo IE2 pokud jsou napájené z mnie frekvence Fáze 3: Od 1. ledna, 2017 Motory o výkonu 0.75 375 kw musí mít bu IE3 nebo IE2 pokud jsou napájené z mnie frekvence September 23, 2011 Slide 12
Povinné oznaení IE na štítku motoru Od 16.ervna, 2011 povinn na štítku motoru: úinnost(100%), (75%), (50%) pi % zatížení a naptí U N Úinnost: IE2 nebo IE3 Rok výroby September 23, 2011 Slide 13
Produkty: Motory & Stroje (Machines) Výkony 0.055 kw to 70 MW: AC LV Indukní Motory AC HV Indukní Motory AC Indukní Generátory AC Synchronní Motory AC Synchronní Generátory DC Motory Servomotory September 23, 2011 Slide 14
PG IEC LV Motors Future product portfolio Cast Iron Aluminium IEC Low voltage motors Process Performance General Performance M3BP 71-450, IE2, IE3, IE4 M2BA 71-355, IE1, IE2 M3AA 63-280, IE2, IE3 M2AA 56 250, IE1, IE2 Motors for explosive atmospheres Marine motors Water cooled motors Brake motors Smoke extraction motors Roller table motors Permanent magnet motors Synchronous reluctance motors Other applications September 23, 2011 Slide 15
ABB nn mnie frekvence September 23, 2011 Slide 16
ABB nn mnie frekvence Power rating kw 5600 3400 2800 2400 1900 1450 500 400 355 200 132 110 75 55 11 8 7.5 5.5 4 2.2 1.5 1.1 0.75 0.55 0.37 0.18 100 120 200 240 200 240 380 480 500 690 V ABB nn AC mnie frekvence ABB machinery drives ABB standard drives ABB industrial drives ABB DC mnie Softwareové nástroje Programy pro výpoet úspor Servis Analýzy / porady 1-phase 3-phase September 23, 2011 Slide 17
ABB vn mnie frekvence ACS 2000 September 23, 2011 Slide 18
Vn mnie frekvence ABB ACS 1000, ACS 1000i Chlazení: vzduch / voda Výkonový rozsah: 315 kw 5 MW Výstupní naptí: 2.3 4.16 kv Vzduchem chlazený ACS 1000 mže být s integrovaným transform. a vst. stykaem (ACS 1000i) ACS 2000 Chlazení: vzduch Výkonový rozsah : do 800 kw Výstupní naptí : 6.0 6.9 kv Vzduchem chlazený ACS 2000 mže být s vnjším nebo pozdji i s integrovaným transformátorem nebo s pímým pipojením na sí September 23, 2011 Slide 19
Frekvenní mnie - princip U line U DC U out Supply L1 L2 L3 Rectifier DC link L + C - U d Inverter V1 V3 V5 V4 V6 V2 U1 V1 W1 Motor M 3 ~ Monitoring Control Control Electronics control, monitoring and communication September 23, 2011 Slide 20
Frekvenní mnie Line Equipment Waveform Operation Line voltage Line Supply Unit DC bus, capacitor and choke Inverter Unit Rectification Smoothing Inversion Motor M 3 Motor Princip September 23, 2011 Slide 21
Spouštní AC motor DOL Y/D Proud Softstartér Frekvenní mni FM otáky September 23, 2011 Slide 22
Spouštní AC motor frekvenní mnie Moment T FM n Otáky 1600 1600 1400 1400 1200 1200 Torque [Nm] 1000 800 600 Torque [Nm] 1000 800 600 400 400 200 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Speed [rpm] Speed [rpm] max load cont loadability max loadability cont load max load neg max loadability neg max load cont loadability max loadability cont load max load neg max loadability neg FM kvadratic. zátž. moment What is your actual cst? FM konstantní zátž. moment September 23, 2011 Slide 23
Pohony s elektrickými motory erpadla jsou nejvtšími spotebiteli energie v prmyslu EU Ostatní Chladicí kompresory Ventilátory erpadla Kompresory vzduchové September 23, 2011 Slide 24
Píklad: regulace pohonerpadel škrcení bypassing (obtok) on/off regulace regulace otáek mnii frekvence September 23, 2011 Slide 25
Úspory - porovnání pro erpadla (škrcení x mni) September 23, 2011 Slide 26
Regulace škrcením x mniem frekvence Zdroj: Energy efficient motor driven systems, 2004, by European Copper Institute September 23, 2011 Slide 27
Úinnost od elektrárny až po erpadlo September 23, 2011 Slide 28
ABB výpoetní programy Snadné použití FanSave Úspory a návratnosti investic pro ventilátory PumpSave Úspory a návratnosti investic pro erpadla Efficiency Tool Porovnání pohon s vyšší a nižší úinností Energy Saving Tool Porovnání motor s vyšší a nižší úinností September 23, 2011 Slide 29
Pump Save September 23, 2011 Slide 30
ELEKTRO 3/2008 September 23, 2011 Slide 31
Teplárna Komo any September 23, 2011 Slide 32
Teplárna Komo any September 23, 2011 Slide 33
Pump Save September 23, 2011 Slide 34
Porovnání VSE O 1 200 1 000 y = 3,542E-10x 2 + 1,448E-03x + 3,287E+02 R 2 = 9,575E-01 VSE O za msíc v MWh 800 600 400 200 y = 7,048E-10x 2 + 6,618E-04x + 9,587E+01 R 2 = 8,160E-01 0 0 100 000 200 000 300 000 400 000 500 000 GJ do horkovodu za msíc STARÁ O NOVÁ O Poly. (STARÁ O) Poly. (NOVÁ O) September 23, 2011 Slide 35
Teplárna Strakonice a.s. St edn velký centralizovaný zdroj tepla September 23, 2011 Slide 36
Teplárna Strakonice a.s. Základní výrobní zaízení teplárny Vysokotlakáást kotel K1 27 MW, pára (6,3 MPa, 460 C) hndé uhlí (+biomasa) 1954 (rekonstrukce 2012-2013) kotel K2 27 MW, pára (6,3 MPa, 460 C) hndé uhlí (+biomasa) 1954 (rekonstrukce 2011-2012) kotel K3 55 MW, pára (6,3 MPa, 460 C) hndé uhlí 1964 (rekonstrukce 1991) turbogenerátor TG1 8,8 MW; protitlaký 1996 turbogenerátor TG2 21,2 MW; kondenzaní odbrový 1954 (modernizace 1999) Nízkotlakáást kotel K4 a K5; 2 x 52,5 MW, pára (1,57 MPa, 240oC), palivo - mazut 1984 ídicí systém Siemens Teleperm XP etapov od 1996 September 23, 2011 Slide 37
Teplárna Strakonice a.s. Výpoet úspor energie pro kotle K1, K2, K3 (foto) Režim 1: Turbonapájeka 1, Elektronapájeka 3, Elektronapájeka 4. První pásmo do maximálního výkonu 80 t/h a doby trvání 8650 h TN1 (nebo TN2). Druhé pásmo od 80 t/h do 110 t/h parního výkonu EN3. Tetí nejvyšší pásmo do maximální hodnoty 160 t/h EN4, resp. i nadále EN3, pokud by bžely pouze dv napájeky. Režim 2: Elektronapájeka 3, Turbonapájeka 1, Elektronapájeka 4. První pásmo do maximálního výkonu 50 t/h a doby trvání 8650 h EN3. Druhé pásmo od 50 t/h do 110 t/h parního výkonu TN1 (nebo TN2). Tetí nejvyšší pásmo do maximální hodnoty 160 t/h EN3. Režim 3: Elektronapájeka 3, Elektronapájeka 4. První pásmo EN3. Maximální parní výkon je 80 t/h po dobu 5650 h. Druhé pásmo v rozsahu od 80 t/h do 160 t/h EN4.. September 23, 2011 Slide 38
Teplárna Strakonice a.s. Výpoet úspor energie - rozložení pásem pro režim 3 (foto) 850 MWh EN3 pracuje v režimu s konstantním parním prtokem a promnlivým tlakem ve sbrn výtlaku (max. využití vlastností regulovaného erpadla). Pi EN3+EN4 paraleln udržován ve sbrn tlaku konstantní tlak 7,5 MPa (pro nastavení FM pozdji zvolen tlak 8 MPa z dvodu vyšší provozní bezpenosti). September 23, 2011 Slide 39
Teplárna Strakonice a.s. Vybrané technickéešení - transformátory ABB typ DTE 450 A8S, suché provedení, vzduchem chlazený, dimenzovaný a navržený pro napájení mnie ady ACS800, jmenovitý výkon 450 kva, jmenovité naptí 6000/690 V, IP 23 September 23, 2011 Slide 40
Teplárna Strakonice a.s. Vybrané technickéešení frekvenní mnie ABB typ ACS800-07-0400-7 s pímým ízením momentu (DTC). Dynamické a pesnéízení, eliminované momentové rázy snižují mechanické opotebení pohánného zaízení, s možností peklenutí krátkodobých výpadk napájecího naptí. IP 54, se vstupními pojistkami, stykaem a tlaítkem nouzového zastavení, EMC filtrem pro prmyslové prostedí a výstupním du/dt filtrem. Použito adaptivní programování v návaznosti na ídicí systém. September 23, 2011 Slide 41
Píméízení momentu: DTC Rychlé a pesné ízení Stav motoru sledován každých 25 s with s výkoným procesorem (DSP) Okamžitá reakce na zmnu zatížení Tichý chod a maximální zatížitelnost, žádné momentové rázy Peklenutí krátkodobých výpadk napájecího naptí Letmý start okamžit Torque Reference Speed Reference Speed control PID Torque Reference Controller Calculated Speed Measured Speed REF Torque and Flux Comparator Torque and Flux Motor Model Switching Logic Switch positions Voltage Current DTC CORE = ~ 3~ 3~ September 23, 2011 Slide 42
Peklenutí výpadk napáj. naptí 5 sec (v závislosti na setrvaných hmotách zátže) delšíasy pi použití UPS U DC U MIN f OUT T M 65% z p. 400 V -10% 13% zvlnní (v DC) Závisí na zatížení 0 5 10 15 20 25 U DC U MIN f OUT T M as (sec.) = DC naptí = DC naptí minim. limit = výstup. frekvence = moment motoru September 23, 2011 Slide 43
Teplárna Strakonice a.s. Vybrané technickéešení motory ABB typ M3BP355SMC2, pizpsobené pro napájení z mni frekvence se zesílenou izolaci vinutí a izolované ložisko na N-konci motoru. Chlazené vzduchem (pvodní motory byly chlazené vodou). Jmenovitý výkon 355 kw, 311 kw výkon pi napájení z frekvenního mnie, jmen. otáky 2984 ot./min, rozsah otáek pi pohonu erpadel 0-3800 ot/min September 23, 2011 Slide 44
Teplárna Strakonice a.s. Vybrané technickéešení erpadla KSB typ HGM mají vyšší úinnost o cca 9%; erpadlo nevyžaduje mazací olej; erpadlo nevyžaduje pro teploty vody do 160 C ohev ped najetím; erpadlo má pouze jednu mechanickou ucpávku, která je chlazena vlastním vzduchovým chladiem (do 140 C zcela bez chlazení); jmenovité otáky erpadla jsou 3437 ot/min ádov menší stavební rozmry proti erpadlu Sigma, vyšší otáky jsou dosaženy použitím frekvenního mnie. September 23, 2011 Slide 45
Teplárna Strakonice a.s. Prbh realizace 2009 postupná realizace EN4 a EN5 instalace transformátor a FM provedena ješt ped odstavením pvodních erpadel (trafa a FM byly instalovány ve stávající rozvodn, délka pívodu od FM k motoru cca 120 m), od odstavení stroje po uvedení do zkušebního provozu cca 2-3 msíce (v. kompletní výmny potrubních tras) 2010 byla obdobným zpsobem provedena výmna EN3 September 23, 2011 Slide 46
Teplárna Strakonice a.s. Provozní zkušenosti Dosavadním provozem byla ovena vyšší spolehlivost zaízení - moderní ovené komponenty, byla odstranna ada píslušenství (chladící okruhy ucpávek a motor, mazání ložisek erpadla olejem, prohev, pvodní MaR zabezpeení minimálního prtoku je ešeno kompaktním, zcela mechanickým zaízením). Regulace je bez problém, v reálném provozu je rozsah regulace 3200 až 3450 ot/min (dáno kivkou erpadla). Skutené provozní úspory: msíní mrné spoteby el. ektrické energie na pepravenou 1 tunu napájecí vody ped a po modernizaci. kwh/t leden únor bezen duben kvten erven ervenec srpen záí íjen listopad prosinec 2008 4,42 3,19 4,18 3,95 4,09 3,17 4,73 2,81 5,58 4,55 4,60 3,90 2010 2,74 3,08 3,25 2,90 2,72 2,14 3,38 3,89 3,18 3,73 4,00 3,40 September 23, 2011 Slide 47
Teplárna Strakonice a.s. Závr Pro dkladnjší statistické vyhodnocení bude nutné delší sledované období. Z výše uvedených výsledk vyplývá, že reálnou prmrnou úsporu spoteby elektrické energie lze oekávat na hodnot 0,9 kwh/t (22%), emuž odpovídá reálná roní úspora vlastní energie 780 MWh (pi 865 tis. tunách napájecí vody). Napájecí stanice jsou provozovány z dvodu vyšší provozní bezpenosti na žádanou hodnotu tlaku 8 MPa, viz Obrázek 6, (pvodní výpoet uvažoval 7,5 MPa). September 23, 2011 Slide 48
Dalkia Olomouc a.s. Výpoet úspor energie -erpadlo EN51 1550 kw (foto) September 23, 2011 Slide 49
Dalkia Olomouc a.s. Stávající vn motor 1550 kw úprava pro FM (foto) September 23, 2011 Slide 50
Dalkia Olomouc a.s. Mni frekvence vn ACS 1000 - EN51 1550 kw (foto) 850 MWh September 23, 2011 Slide 51
Dalkia Olomouc a.s. Trafo EN51 1550 kw (foto) September 23, 2011 Slide 52
Dalkia Olomouc a.s. Rozvodna EN51 1550 kw (foto) September 23, 2011 Slide 53
September 23, 2011 Slide 54